JP2018090900A - Iron-base sintered alloy valve seat for internal combustion engines with excellent wear resistance and a combination of valve seat and valve - Google Patents
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Abstract
【課題】耐摩耗性に優れた内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシートおよび耐摩耗性に優れたバルブシートとバルブとの組合せ体を提供する。【解決手段】基地相を、10μm以下の微細炭化物が析出し、ビッカース硬さで550HV以上の硬さを有する微細炭化物析出相とし、基地相中に、ビッカース硬さで650〜1200HVの硬さを有する硬質粒子を、面積率で20〜40%分散させ、さらに拡散相を面積率で0%超え5%以下形成し、固体潤滑剤粒子を面積率で0〜5%分散させた組織を有する鉄基焼結合金製バルブシートとする。これにより、400HV以上、さらには600HV以上の高フェース面硬さのバルブが使用されても、相対するバルブシートの摩耗は少なく、耐摩耗性に優れたバルブとバルブシートの組合せ体を実現でき、弁機構の耐久性が格段に向上する。【選択図】なしPROBLEM TO BE SOLVED: To provide a valve seat made of an iron-based sintered alloy for an internal combustion engine having excellent wear resistance and a combination of a valve seat and a valve having excellent wear resistance. SOLUTION: The matrix phase is a fine carbide precipitation phase in which fine carbides of 10 μm or less are precipitated and the hardness is 550 HV or more in Vickers hardness, and the hardness of 650 to 1200 HV in Vickers hardness is set in the matrix phase. Iron having a structure in which hard particles having an area ratio of 20 to 40% are dispersed, a diffusion phase is formed in an area ratio of more than 0% and 5% or less, and solid lubricant particles are dispersed in an area ratio of 0 to 5%. The valve seat is made of a base sintered alloy. As a result, even if a valve with a high face hardness of 400 HV or more and even 600 HV or more is used, the wear of the opposing valve seats is small, and a combination of a valve and a valve seat with excellent wear resistance can be realized. The durability of the valve mechanism is significantly improved. [Selection diagram] None
Description
本発明は、内燃機関用バルブシートに係り、とくに、LPG、CNG等のガス燃料及びエタノール含有などの特殊燃料を使用する内燃機関用バルブシートの耐摩耗性向上に関する。 The present invention relates to a valve seat for an internal combustion engine, and more particularly to an improvement in wear resistance of a valve seat for an internal combustion engine that uses a gas fuel such as LPG or CNG and a special fuel containing ethanol.
バルブシートは、内燃機関のシリンダヘッドに圧入あるいは接合されて、燃焼ガスのシールとバルブを冷却する役割を担っている。バルブシートは、バルブによる叩かれ、すべりによる摩耗や、燃焼ガスによる加熱、燃焼生成物による腐食等に晒されるため、従来から、耐熱性、耐摩耗性に優れることが要求されている。また、最近では、地球環境の保全という観点から、自動車用内燃機関に対して、高性能化に加えて、燃費向上、排出ガスの浄化等の要求が高まっている。このような要求に対処するため、自動車用内燃機関の運転条件は、厳しい条件に設定され、燃焼条件も苛酷となり、使用されるバルブシートの使用環境も一段と厳しいものとなる。そのため、従来のバルブシートでは、耐熱性、耐摩耗性等の特性が不足するという問題がある。 The valve seat is press-fitted or joined to the cylinder head of the internal combustion engine, and serves to cool the combustion gas seal and the valve. The valve seat is hit by a valve, and is exposed to wear due to sliding, heating by combustion gas, corrosion by combustion products, and the like, so that it has been conventionally required to have excellent heat resistance and wear resistance. Recently, from the viewpoint of the preservation of the global environment, there are increasing demands for internal combustion engines for automobiles in addition to higher performance, fuel efficiency improvement, exhaust gas purification, and the like. In order to cope with such demands, the operating conditions of the internal combustion engine for automobiles are set to severe conditions, the combustion conditions become severe, and the usage environment of the valve seats used is further severe. Therefore, the conventional valve seat has a problem that the characteristics such as heat resistance and wear resistance are insufficient.
このような問題に対し、例えば、特許文献1には、「耐摩耗焼結合金製内燃機関用バルブシート」が記載されている。特許文献1に記載された技術は、10μm以下の微細炭化物が析出し、400HV以上の硬さを有する、Feを主成分とする第1相を面積比で30〜95%と、Feを主成分とし前記第1相より軟質である第2相を面積比で5〜70%との混合組織からなる鉄基基地組織を主組織とする耐摩耗性に優れた内燃機関用バルブシートである。特許文献1に記載された技術では、高硬度の第1相を面積比で30%以上存在させることにより、耐摩耗性が向上するとしている。また、特許文献1に記載されたバルブシートは、厳しい運転状況の内燃機関用バルブシートとして好適であるとしている。 For such a problem, for example, Patent Document 1 describes “a valve seat for an internal combustion engine made of wear-resistant sintered alloy”. In the technique described in Patent Document 1, fine carbides of 10 μm or less are precipitated, the hardness is 400 HV or more, the first phase mainly composed of Fe is 30 to 95% in area ratio, and Fe is the major component. And a valve seat for an internal combustion engine having excellent wear resistance, the main structure of which is an iron-based matrix structure composed of a mixed structure in which the second phase is softer than the first phase and the area ratio is 5 to 70%. In the technique described in Patent Document 1, the wear resistance is improved by allowing the first phase having a high hardness to exist in an area ratio of 30% or more. Further, the valve seat described in Patent Document 1 is said to be suitable as a valve seat for an internal combustion engine under severe operating conditions.
また、特許文献2には、クロム8〜12重量%、モリブデン0.5〜3重量%、バナジウム1.5重量%以下、炭素0.2〜1.5重量%、最大2重量%のその他の不純物および残部としての鉄で規定される組成の多孔質マルテンサイト・マトリックスを有しており、このマトリックスが、事実上一様に分散した、モリブデンに富む炭化物の超顕微鏡的粒子を有することに特徴がある鉄基焼結材料が記載されている。 Further, in Patent Document 2, it is defined by other impurities of 8 to 12% by weight of chromium, 0.5 to 3% by weight of molybdenum, 1.5% by weight or less of vanadium, 0.2 to 1.5% by weight of carbon, and 2% by weight maximum, and iron as the balance. An iron-based sintered material characterized in that it has a porous martensite matrix of the composition described below, which matrix has supermicroscopic particles of molybdenum rich carbides, which are virtually uniformly dispersed. Have been described.
近年、内燃機関においては、使用する燃料が、ガソリン、重油などに加えて、ガス、エタノールなどの特殊燃料と、多岐に亘るようになってきた。使用する燃料が異なれば、燃焼温度、発生する燃焼ガスなどの燃焼条件が異なり、内燃機関の使用環境も異なったものになってくるであろうことが推察される。例えば、使用燃料がガス燃料である場合には、バルブシート等の使用環境が一段と厳しいものとなる。というのは、ガス燃料は、ガソリンや軽油に比較して燃焼生成物を生成しがたく金属面接触による摩耗が進行しやすい環境にあるためと考えられる。 In recent years, internal combustion engines have come to be used in a wide variety of fuels such as gasoline and heavy oil, as well as special fuels such as gas and ethanol. It is speculated that if the fuel to be used is different, the combustion conditions such as the combustion temperature and the generated combustion gas will be different, and the use environment of the internal combustion engine will be different. For example, when the fuel used is gas fuel, the usage environment such as a valve seat becomes more severe. This is because gas fuel is less likely to produce combustion products than gasoline and light oil, and is in an environment where wear due to metal surface contact is likely to proceed.
さらに、従来は、バルブの摺動性向上のために表面に形成される窒化膜を、バルブシートとの当たり面近傍では研磨等で削除していた。しかし、最近のコスト削減要求の強化により、バルブシートとの当たり面近傍においても、窒化膜等の削除のために、研磨等を施すことはない。バルブ表面に形成された窒化膜等はそのまま、バルブシートとの当たり面近傍といえども、バルブシートとの当接面に薄く残存させたままで、使用に供する場合が多くなっている。表面に形成される窒化膜は、1000HV以上と硬く、このようなバルブを使用した場合には、特許文献1や特許文献2に記載された技術で製造されたバルブシートであっても、摩耗が著しくなり、とくに、ガス燃料等の特殊燃料を使用するような金属接触がおこりやすい使用環境下においては顕著になるという問題があった。 Further, conventionally, a nitride film formed on the surface for improving the slidability of the valve has been removed by polishing or the like in the vicinity of the contact surface with the valve seat. However, due to recent demands for cost reduction, polishing or the like is not performed even in the vicinity of the contact surface with the valve seat in order to remove the nitride film or the like. In many cases, the nitride film or the like formed on the surface of the valve is used as it is, even though it is in the vicinity of the contact surface with the valve seat, thinly remaining on the contact surface with the valve seat. The nitride film formed on the surface is hard at 1000 HV or more, and when such a valve is used, even a valve seat manufactured by the technique described in Patent Document 1 or Patent Document 2 is worn. In particular, there has been a problem that it becomes prominent in a use environment where metal contact is likely to occur, such as when using a special fuel such as a gas fuel.
本発明は、かかる問題を解決し、ガス燃料等の特殊燃料を使用するような金属接触がおこりやすい使用環境下においても、優れた耐摩耗性を保持できる、耐摩耗性に優れた内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシートおよび耐摩耗性に優れたバルブシートとバルブとの組合せ体、を提供することを目的とする。なお、加工性および耐脱落性の観点から、本発明が目標とするバルブシートは、JIS Z 2507の規定に準拠して得られた、圧環強さが45kgf/mm2(441MPa)以上とする。 The present invention solves such a problem, and can be used for an internal combustion engine having excellent wear resistance that can maintain excellent wear resistance even in a use environment in which metal contact is likely to occur using special fuel such as gas fuel. An object of the present invention is to provide a ferrous sintered alloy valve seat and a combination of a valve seat and a valve excellent in wear resistance. In addition, from the viewpoint of workability and drop-off resistance, the valve seat targeted by the present invention has a crushing strength of 45 kgf / mm 2 (441 MPa) or more obtained in accordance with the provisions of JIS Z 2507.
本発明者らは、上記した目的を達成するために、バルブシートと、表面硬さが従来より「硬い」バルブとを組み合わせた際に、バルブシートの耐摩耗性に及ぼす各種要因について鋭意検討した。その結果、このような「硬い」バルブと、例えば特許文献1に記載されたような従来型のバルブシートとの組合せでは、バルブシートに凝着が発生し、ガス燃料等の特殊燃料を使用するような金属接触が生じやすい使用環境下においてはとくに、耐摩耗性が著しく低下するという問題があることを知見した。本発明者らは、このような耐摩耗性の低下は、バルブシートの組織が軟質の相を含むことにあることを見出し、このような耐摩耗性の低下を防止するためには、バルブフェース面と基地相および硬質粒子との硬さ差を小さくすることが有効であることに想到した。すなわち、軟質な相を減少し、基地相を、550HV以上のほぼ均一な硬い相からなる組織とすることが、バルブシートの耐摩耗性の低下を防止するため有効であることを知見した。 In order to achieve the above-mentioned object, the present inventors diligently studied various factors that affect the wear resistance of a valve seat when a valve seat and a valve having a surface hardness that is “harder” than before are combined. . As a result, in a combination of such a “hard” valve and a conventional valve seat as described in, for example, Patent Document 1, adhesion occurs in the valve seat and a special fuel such as gas fuel is used. It has been found that there is a problem that the wear resistance is remarkably lowered particularly in the use environment where metal contact is likely to occur. The present inventors have found that such a decrease in wear resistance is that the structure of the valve seat contains a soft phase, and in order to prevent such a decrease in wear resistance, It has been thought that it is effective to reduce the difference in hardness between the surface, the matrix phase and the hard particles. That is, it has been found that it is effective to reduce the soft phase and to make the base phase a structure composed of a substantially uniform hard phase of 550 HV or higher in order to prevent a decrease in wear resistance of the valve seat.
さらに、本発明者らは、基地相が、粒径:10μm以下の微細炭化物が析出しビッカース硬さで550HV以上の硬さを有する微細炭化物析出相であり、ビッカース硬さで650HV以上の硬さを有する硬質粒子を基地相中に分散させた組織を有するバルブシートとすることにより、耐摩耗性および圧壊強さに優れたバルブシートとなることを知見した。 Further, the present inventors have found that the base phase is a fine carbide precipitation phase in which fine carbides having a particle size of 10 μm or less are precipitated and have a Vickers hardness of 550 HV or more, and a Vickers hardness of 650 HV or more. It has been found that a valve seat having a structure in which hard particles having a particle are dispersed in the matrix phase provides a valve seat with excellent wear resistance and crushing strength.
本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。 The present invention has been completed based on such findings and further studies. That is, the gist of the present invention is as follows.
(1)基地相中に硬質粒子および固体潤滑剤粒子を分散させた鉄基焼結合金製バルブシートであって、前記基地相が、粒径:10μm以下の微細炭化物が析出し、ビッカース硬さで550HV以上の硬さを有する微細炭化物析出相であり、前記硬質粒子が、ビッカース硬さで650〜1200HVの硬さを有し、前記基地相中に、前記硬質粒子を面積率で20〜40%分散させ、さらに該硬質粒子の周りに拡散相を面積率で0%超え5%以下形成し、前記固体潤滑剤粒子を面積率で0〜5%分散させた組織を有することを特徴とする耐摩耗性に優れた内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。 (1) A valve seat made of an iron-based sintered alloy in which hard particles and solid lubricant particles are dispersed in a matrix phase, wherein the matrix phase precipitates fine carbides having a particle size of 10 μm or less, and Vickers hardness In the fine carbide precipitation phase having a hardness of 550 HV or more, the hard particles have a Vickers hardness of 650-1200 HV, the hard particles in the matrix phase in an area ratio of 20-40 And a structure in which a diffusion phase is formed around the hard particles in an area ratio of more than 0% and 5% or less, and the solid lubricant particles are dispersed in an area ratio of 0 to 5%. Valve seat made of iron-based sintered alloy with excellent wear resistance for internal combustion engines.
(2)(1)において、前記基地相、前記拡散相、前記硬質粒子および前記固体潤滑剤粒子を含む基地部が、質量%で、C:0.5〜2.0%、Si:0.5〜2.0%、Mn:5%以下、Cr:2〜15%、Mo:5〜20%、Co:2〜30%を含み、さらに、V:0〜5%、W:0〜10%、Ni:0〜5%、S:0〜2%、Cu:0〜5%、Ca:0〜5%、F:0〜5%のうちから選ばれた1種または2種以上を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。 (2) In (1), the base part containing the base phase, the diffusion phase, the hard particles and the solid lubricant particles is in mass%, C: 0.5 to 2.0%, Si: 0.5 to 2.0%, Mn : 5% or less, Cr: 2 to 15%, Mo: 5 to 20%, Co: 2 to 30%, V: 0 to 5%, W: 0 to 10%, Ni: 0 to 5% , S: 0 to 2%, Cu: 0 to 5%, Ca: 0 to 5%, F: 0 to 5%, including one or more selected from the balance Fe and inevitable impurities A valve seat made of an iron-based sintered alloy for an internal combustion engine, characterized by having the composition
(3)(1)または(2)において、前記硬質粒子が、質量%で、Cr:3〜15%、Mo:20〜40%を含み、さらにSi:0〜3%、Fe:0〜3%を含有し、残部Coおよび不可避的不純物からなるMo-Cr-Co系金属間化合物粒子、Mo:20〜30%、Ni:5〜20%、Cr:15〜35%を含み、さらにSi:0〜3%を含有し、残部Coおよび不可避的不純物からなるMo-Cr-Ni-Co系金属間化合物粒子、Mo:20〜40%、Cr:3〜15%を含み、さらにSi:0〜3%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなるMo-Cr-Fe系金属間化合物粒子、およびMo:30〜50%、Fe:15%以下を含み、さらにCr:2〜8%、Si:0〜4%を含有し、残部Coおよび不可避的不純物からなるMo-Fe-Co系金属間化合物粒子のうちから選ばれた1種または2種以上であることを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。 (3) In (1) or (2), the hard particles contain, in mass%, Cr: 3 to 15%, Mo: 20 to 40%, Si: 0 to 3%, Fe: 0 to 3 Mo—Cr—Co intermetallic compound particles comprising Co and the inevitable impurities, Mo: 20-30%, Ni: 5-20%, Cr: 15-35%, and Si: Mo-Cr-Ni-Co-based intermetallic compound particles containing 0 to 3%, remaining Co and inevitable impurities, Mo: 20 to 40%, Cr: 3 to 15%, Si: 0 to Mo-Cr-Fe-based intermetallic compound particles containing 3% balance Fe and inevitable impurities, and Mo: 30-50%, Fe: 15% or less, further Cr: 2-8%, Si : One or more selected from Mo-Fe-Co intermetallic compound particles containing 0 to 4%, the balance being Co and inevitable impurities, iron for internal combustion engines, Base sintered alloy valve seat.
(4)(2)または(3)において、前記固体潤滑剤粒子が、硫化マンガンMnS、二硫化モリブデンMoS2、フッ化カルシウムCaF2のうちから選ばれた1種または2種以上であることを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。 (4) In (2) or (3), the solid lubricant particles are one or more selected from manganese sulfide MnS, molybdenum disulfide MoS 2 , and calcium fluoride CaF 2. An iron-based sintered alloy valve seat for an internal combustion engine.
(5)バルブとバルブシートの組合せ体であって、前記バルブが、前記バルブシートとの当たり面の表面硬さがビッカース硬さで400〜1300HVであるバルブであり、前記バルブシートを、(1)ないし(4)のいずれかに記載の内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシートとすることを特徴とする耐摩耗性に優れたバルブとバルブシートの組合せ体。 (5) A combination body of a valve and a valve seat, wherein the valve has a contact surface with the valve seat having a surface hardness of 400 to 1300 HV in terms of Vickers hardness. A valve / valve seat combination with excellent wear resistance, characterized in that the valve seat is made of an iron-based sintered alloy for an internal combustion engine according to any one of (4) to (4).
本発明によれば、厳しい摩耗環境である、ガス燃料等の特殊燃料を使用する環境下の内燃機関において、バルブとしてフェース面の硬さが硬い、高フェース面硬さバルブが使用されても、相対するバルブシートの摩耗は少なく、耐摩耗性に優れたバルブとバルブシートの組合せ体を実現でき、産業上格段の効果を奏する。また、本発明によれば、弁機構の耐久性が格段に向上するという効果もある。 According to the present invention, in an internal combustion engine that uses a special fuel such as gas fuel, which is a severe wear environment, the face face is hard as a valve, even if a high face face hardness valve is used, There is little wear of the valve seats facing each other, and it is possible to realize a combination of a valve and a valve seat having excellent wear resistance, and it has a remarkable industrial effect. Further, according to the present invention, there is an effect that the durability of the valve mechanism is remarkably improved.
本発明の鉄基焼結合金製バルブシートは、基地相中に硬質粒子、あるいは更に固体潤滑剤粒子を分散させた組織を有するバルブシートである。そして、基地相は、ビッカース硬さで550HV以上の硬さを有する相とする。 The iron-based sintered alloy valve seat of the present invention is a valve seat having a structure in which hard particles or further solid lubricant particles are dispersed in a matrix phase. The base phase is a phase having a Vickers hardness of 550 HV or higher.
基地相の硬さが、550HV未満では、バルブとの接触で、とくに表面硬さの高いバルブとの接触で、凝着が発生しやすくなり所望の耐摩耗性を確保できなくなる。一方、700HVを超えて硬くなると、焼結体としての靭性が低下する。このため、基地相の硬さはビッカース硬さで550HV以上、好ましくは700HV以下の範囲に限定した。なお、好ましくは600〜650HVである。 If the hardness of the base phase is less than 550 HV, adhesion is likely to occur due to contact with a valve, particularly with a valve having a high surface hardness, and the desired wear resistance cannot be ensured. On the other hand, when the hardness exceeds 700 HV, the toughness as a sintered body decreases. For this reason, the hardness of the matrix phase is limited to a range of 550 HV or more, preferably 700 HV or less in terms of Vickers hardness. In addition, Preferably it is 600-650HV.
なお、このような硬さを有する基地相は、10μm以下の微細炭化物が析出した微細炭化物析出相である硬質な単相組織とする。ここでいう「単相」とは、当該相が面積率で95%以上を占める場合をいう。なお、面積率で5%未満であれば、硬さ550HV未満の相が基地相中に残存しても、耐摩耗性への影響も少なく、許容できる。 The matrix phase having such a hardness has a hard single-phase structure that is a fine carbide precipitation phase in which fine carbides of 10 μm or less are precipitated. The term “single phase” as used herein refers to a case where the phase occupies 95% or more by area ratio. If the area ratio is less than 5%, even if a phase having a hardness of less than 550 HV remains in the matrix phase, the influence on the wear resistance is small and acceptable.
基地相中に析出する炭化物の粒径が、10μmを超えて大きくなると、基地相の硬さ、靭性が低下し、相手攻撃性が増し、圧環強さが低下する。このようなことから、550HV以上の硬さを有する基地相は、10μm以下の微細な炭化物が析出した微細炭化物析出相とすることが好ましい。 If the particle size of the carbide precipitated in the matrix phase exceeds 10 μm, the hardness and toughness of the matrix phase will decrease, the opponent attack will increase, and the crushing strength will decrease. For this reason, the matrix phase having a hardness of 550 HV or more is preferably a fine carbide precipitation phase in which fine carbides of 10 μm or less are precipitated.
上記した硬さと組織を有する基地相は、質量%で、C:0.5〜2.0%、Si:0〜1.0%、Mn:0.05〜5%、Cr:0〜5.0%、Mo:0〜8.0%、V:0〜5.0%、W:0〜10.0%、Co:0〜5.0%、を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有することが好ましい。 The matrix phase having the above hardness and structure is in mass%, C: 0.5 to 2.0%, Si: 0 to 1.0%, Mn: 0.05 to 5%, Cr: 0 to 5.0%, Mo: 0 to 8.0%, V: 0 to 5.0%, W: 0 to 10.0%, Co: 0 to 5.0%, preferably having a composition composed of the remaining Fe and inevitable impurities.
本発明バルブシートは、上記した硬さ、組成、組織を有する基地相中に、硬質粒子、あるいはさらに固体潤滑剤粒子を分散させた組織を有する。分散する硬質粒子は、ビッカース硬さで650〜1200HVの硬さを有する硬質粒子とする。硬質粒子の硬さが、650HV未満では、耐摩耗性の向上効果が少なく、一方、1200HVを超えて高くなると、被削性の低下を招く。このようなことから、基地相中に分散させる硬質粒子の硬さをビッカース硬さで650〜1200HVの範囲に限定した。 The valve seat of the present invention has a structure in which hard particles or further solid lubricant particles are dispersed in a matrix phase having the above-described hardness, composition, and structure. The hard particles to be dispersed are hard particles having a Vickers hardness of 650 to 1200 HV. When the hardness of the hard particles is less than 650 HV, the effect of improving the wear resistance is small. On the other hand, when the hardness exceeds 1200 HV, the machinability is reduced. For this reason, the hardness of the hard particles dispersed in the matrix phase is limited to the range of 650 to 1200 HV in terms of Vickers hardness.
なお、本発明で、基地相中に分散する硬質粒子は、上記硬さを有し、平均粒径:10〜150μmの粒子とすることが好ましい。平均粒径が10μm未満では、焼結時に拡散しやすく、所望の耐摩耗性向上を確保できない。一方、150μmを超えて大きくなると、基地との結合力が低下する。このため、基地相中に分散させる硬質粒子の平均粒径は、10〜150μmの範囲に限定することが好ましい。なお、ここでいう「平均粒径」とは、レーザ散乱法で測定した累積分布が50%となる粒径D50を意味する。 In the present invention, the hard particles dispersed in the matrix phase preferably have the above hardness and have an average particle size of 10 to 150 μm. If the average particle size is less than 10 μm, it tends to diffuse during sintering, and a desired improvement in wear resistance cannot be ensured. On the other hand, if it exceeds 150 μm, the bond strength with the base decreases. For this reason, it is preferable to limit the average particle diameter of the hard particles dispersed in the matrix phase to a range of 10 to 150 μm. Here, the “average particle diameter” means a particle diameter D50 at which the cumulative distribution measured by the laser scattering method is 50%.
また、本発明バルブシートでは、上記した硬さの硬質粒子を基地相中に面積率で20〜40%分散させる。硬質粒子の分散量が20%未満では、厳しい環境下での所望の耐摩耗性を確保できない。一方、40%を超えると、基地相と硬質粒子との結合力が低下し、耐摩耗性が低下する。 In the valve seat of the present invention, the hard particles having the above hardness are dispersed in an area ratio of 20 to 40% in the matrix phase. If the dispersion amount of the hard particles is less than 20%, desired wear resistance in a severe environment cannot be secured. On the other hand, if it exceeds 40%, the bonding strength between the matrix phase and the hard particles is lowered, and the wear resistance is lowered.
本発明バルブシートで使用する硬質粒子としては、Mo-Cr-Co系金属間化合物粒子、Mo-Cr-Ni-Co系金属間化合物粒子、Mo-Cr-Fe系金属間化合物粒子、Mo-Fe-Co系金属間化合物粒子のうちから選ばれた1種又は2種以上とすることが好ましい。 The hard particles used in the valve seat of the present invention include Mo-Cr-Co intermetallic compound particles, Mo-Cr-Ni-Co intermetallic compound particles, Mo-Cr-Fe intermetallic compound particles, Mo-Fe It is preferable to use one or more selected from —Co based intermetallic compound particles.
Mo-Cr-Co系金属間化合物粒子は、質量%で、Cr:3〜15%、Mo:20〜40%を含み、さらにSi:0〜3%、Fe:0〜3%を含有し、残部Coおよび不可避的不純物からなる組成を有し、焼結後で、硬さは650〜850HVである。また、Mo-Cr-Ni-Co系金属間化合物粒子は、Mo:20〜30%、Ni:5〜20%、Cr:15〜35%を含み、さらにSi:0〜3%を含有し、残部Coおよび不可避的不純物からなる組成を有し、硬さは900〜1200HVである。また、Mo-Cr-Fe系金属間化合物粒子は、Mo:20〜40%、Cr:3〜15%を含み、さらにSi:0〜3%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、硬さは750〜1050HVである。また、Mo-Fe-Co系金属間化合物粒子は、Mo:30〜50%、Fe:15%以下を含み、さらにCr:2〜8%、Si:0〜4%を含有し、残部Coおよび不可避的不純物からなる組成を有し、硬さは900〜1200HVである。 Mo-Cr-Co-based intermetallic compound particles contain, by mass%, Cr: 3 to 15%, Mo: 20 to 40%, Si: 0 to 3%, Fe: 0 to 3%, It has a composition consisting of the balance Co and inevitable impurities, and after sintering, the hardness is 650-850 HV. The Mo-Cr-Ni-Co intermetallic compound particles include Mo: 20 to 30%, Ni: 5 to 20%, Cr: 15 to 35%, and further Si: 0 to 3%. It has a composition consisting of the balance Co and inevitable impurities, and has a hardness of 900 to 1200 HV. The Mo—Cr—Fe intermetallic compound particles contain Mo: 20 to 40%, Cr: 3 to 15%, further contain Si: 0 to 3%, and the balance is Fe and inevitable impurities. And the hardness is 750 to 1050HV. Further, the Mo-Fe-Co intermetallic compound particles contain Mo: 30 to 50%, Fe: 15% or less, further contain Cr: 2 to 8%, Si: 0 to 4%, and the balance Co and It has a composition consisting of inevitable impurities and has a hardness of 900 to 1200 HV.
なお、本発明バルブシートは、硬質粒子の周りに、拡散相が生成した組織を有する。この拡散相は、焼結時に、硬質粒子から合金元素が基地相中に拡散して形成されたものであり、硬質粒子が基地相から脱落するのを防止する作用を有する。このため、硬質粒子を多量に分散させても、硬質粒子が基地相から脱落するのを防止でき、拡散相の存在により圧環強さの低下を抑制できると考えている。 The valve seat of the present invention has a structure in which a diffusion phase is generated around hard particles. This diffusion phase is formed by diffusing the alloy element from the hard particles into the matrix phase during sintering, and has an action of preventing the hard particles from falling off the matrix phase. For this reason, even if hard particles are dispersed in a large amount, it is considered that the hard particles can be prevented from falling off from the matrix phase, and the reduction of the crushing strength can be suppressed by the presence of the diffusion phase.
このような効果を得るためには、拡散相は、面積率で0%超え5%以下程度の存在量とすることが好ましい。拡散相が5%超えと多量になると、硬さが低下し、所望の耐摩耗性を確保できなくなる。なお、拡散相の形成は、焼結時の温度、焼結時間に依存しており、上記した存在量(面積率で5%以下)となるように、焼結処理の温度、時間を調整することが好ましい。 In order to obtain such an effect, it is preferable that the diffusion phase has an area ratio of 0% to 5% or less. When the diffusion phase exceeds 5%, the hardness decreases and the desired wear resistance cannot be ensured. The formation of the diffusion phase depends on the sintering temperature and sintering time, and the sintering temperature and time are adjusted so that the abundance (area ratio is 5% or less) described above. It is preferable.
なお、本発明バルブシートでは、さらに基地相中に固体潤滑剤粒子を面積率で0〜5%分散させてもよい。基地相中に固体潤滑剤粒子を分散させることにより、被削性、加工性、潤滑性が向上する。しかし、5%を超えると、焼結反応の進行を妨げ、機械的性質の低下を招く。このため、固体潤滑剤粒子は面積率で0〜5%の範囲に限定することが好ましい。なお、固体潤滑剤としては、硫化マンガンMnS、二硫化モリブデンMoS2、フッ化カルシウムCaF2、等が例示できる。 In the valve seat of the present invention, solid lubricant particles may be further dispersed in an area ratio of 0 to 5% in the matrix phase. Dispersion of solid lubricant particles in the matrix phase improves machinability, workability, and lubricity. However, if it exceeds 5%, the progress of the sintering reaction is hindered and the mechanical properties are deteriorated. For this reason, it is preferable to limit the solid lubricant particles to an area ratio of 0 to 5%. Examples of the solid lubricant include manganese sulfide MnS, molybdenum disulfide MoS 2 , calcium fluoride CaF 2 , and the like.
このように、本発明バルブシートは、上記した組織、硬さの基地相中に、上記した硬さの硬質粒子、上記した組成の固体潤滑剤粒子が、所定量分散し、さらに硬質粒子の周りには拡散相が形成された組織を有する。 Thus, in the valve seat of the present invention, the hard particles having the above-described hardness and the solid lubricant particles having the above-described composition are dispersed in a predetermined amount in the matrix phase having the above-described structure and hardness. Has a structure in which a diffusion phase is formed.
基地相、硬質粒子、固体潤滑剤粒子を含む基地部は、質量%で、C:0.5〜2.0%、Si:0.5〜2.0%、Mn:5%以下、Cr:2〜15%、Mo:5〜20%、Co:2〜30%を含み、さらに、V:0〜5%、W:0〜10%、Ni:0〜5%、S:0〜2%、Cu:0〜5%、Ca:0〜5%、F:0〜5%のうちから選ばれた1種または2種以上を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する。 The base portion including the base phase, hard particles, and solid lubricant particles is in mass%, C: 0.5 to 2.0%, Si: 0.5 to 2.0%, Mn: 5% or less, Cr: 2 to 15%, Mo: 5 -20%, Co: 2-30%, V: 0-5%, W: 0-10%, Ni: 0-5%, S: 0-2%, Cu: 0-5%, It contains one or more selected from Ca: 0 to 5% and F: 0 to 5%, and has a composition consisting of the balance Fe and inevitable impurities.
以下、基地部組成における限定理由について説明する。なお、以下、組成における質量%は、単に%で記す。 Hereinafter, the reason for limitation in the base portion composition will be described. Hereinafter, the mass% in the composition is simply expressed as%.
C:0.5〜2.0%
Cは、基地相を所定の硬さ、組織に調整するため、あるいは炭化物を形成するために、必要な元素であり、0.5%以上含有させる。一方、2.0%を超えて含有すると、融点が低下し、液相焼結となる。液相焼結となると、析出炭化物量が過多となり、空孔の数が増加し、伸び特性が劣化し、寸法精度が低下する。このため、Cは0.5〜2.0%の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.5〜1.75%である。
C: 0.5-2.0%
C is an element necessary for adjusting the matrix phase to a predetermined hardness and structure, or for forming carbides, and is contained in an amount of 0.5% or more. On the other hand, if the content exceeds 2.0%, the melting point is lowered and liquid phase sintering is performed. When liquid phase sintering is used, the amount of precipitated carbide becomes excessive, the number of pores increases, the elongation characteristics deteriorate, and the dimensional accuracy decreases. For this reason, it is preferable to limit C to 0.5 to 2.0% of range. In addition, More preferably, it is 0.5 to 1.75%.
Si:0.5〜2.0%
Siは、主として硬質粒子に含まれ、シリサイドを形成し、硬さを増加させる元素であり、0.5%以上含有することが好ましい。一方、2.0%を超えて多量に含有すると、靭性が低下する。このため、Siは0.5〜2.0%の範囲に限定することが好ましい。より好ましくは0.5〜1.5%である。
Si: 0.5-2.0%
Si is an element mainly contained in hard particles to form silicide and increase hardness, and is preferably contained in an amount of 0.5% or more. On the other hand, if the content exceeds 2.0%, the toughness decreases. For this reason, it is preferable to limit Si to 0.5 to 2.0% of range. More preferably, it is 0.5 to 1.5%.
Mn:5%以下
Mnは、基地相の硬さを増加させる元素であり、またMnは、固体潤滑剤粒子の含有に起因して基地部に含まれ、被削性向上に寄与する元素であり、0.05%以上含有することが好ましい。一方、5%を超えて含有すると組織安定化にともない基地相硬さ、靭性、延性の低下につながるため、Mnは5%以下に限定することが好ましい。さらに好ましくは0.05〜3.5%である。
Mn: 5% or less
Mn is an element that increases the hardness of the matrix phase, and Mn is an element that is included in the matrix due to the inclusion of solid lubricant particles and contributes to the improvement of machinability, containing 0.05% or more It is preferable to do. On the other hand, if the content exceeds 5%, the matrix phase hardness, toughness, and ductility are reduced with the stabilization of the structure, so Mn is preferably limited to 5% or less. More preferably, it is 0.05 to 3.5%.
Cr:2〜15%
Crは、基地相に固溶し、また炭化物を形成して、基地相の硬さを増加させ、さらには硬質粒子の硬さを増加させ、耐熱性、耐摩耗性を向上させる元素であり、2%以上含有することが好ましい。一方、15%を超える含有は、Cr炭化物の析出が過多となり、微細な炭化物とすることが難しくなる。このため、Crは2〜15%の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは2.5〜12.5%である。
Cr: 2-15%
Cr is an element that dissolves in the matrix phase and forms carbides to increase the hardness of the matrix phase, further increase the hardness of the hard particles, and improve heat resistance and wear resistance. It is preferable to contain 2% or more. On the other hand, if the content exceeds 15%, Cr carbide precipitates excessively, making it difficult to obtain fine carbide. For this reason, Cr is preferably limited to a range of 2 to 15%. In addition, More preferably, it is 2.5 to 12.5%.
Mo:5〜20%
Moは、基地相に固溶して、また炭化物として析出して、基地相の硬さを増加させ、さらには硬質粒子の硬さの増加に寄与し、耐摩耗性を向上させる元素であり、5%以上含有することが好ましい。5%未満では、析出物量が不足し、所望の耐摩耗性を確保できない。一方、20%を超えて含有すると、成形性が低下する。このため、Moは5〜20%の範囲に限定した。なお、より好ましくは7.5〜17.5%である。
Mo: 5-20%
Mo is an element that dissolves in the matrix phase and precipitates as a carbide, increases the hardness of the matrix phase, further contributes to an increase in hardness of the hard particles, and improves wear resistance. It is preferable to contain 5% or more. If it is less than 5%, the amount of precipitates is insufficient, and the desired wear resistance cannot be ensured. On the other hand, when it contains exceeding 20%, a moldability will fall. For this reason, Mo was limited to the range of 5 to 20%. In addition, More preferably, it is 7.5 to 17.5%.
Co:2〜30%
Coは、基地相の強度、とくに高温強度を増加させ、耐摩耗性向上に寄与するとともに、さらに基地相の靭性を向上させる元素であり、さらに硬質粒子の硬さ増加に寄与する元素であり、2%以上含有する。一方、30%を超えて多量に含有すると、基地相硬さが低下し、所望の特性を確保できなくなる。このため、Coは2〜30%の範囲に限定した。
Co: 2-30%
Co is an element that increases the strength of the matrix phase, particularly the high-temperature strength, contributes to the improvement of wear resistance, further improves the toughness of the matrix phase, and further contributes to the increase in hardness of the hard particles, Contain 2% or more. On the other hand, if it contains more than 30%, the base phase hardness is lowered and the desired properties cannot be secured. For this reason, Co was limited to a range of 2 to 30%.
上記した成分が基本の成分であるが、基本成分に加えてさらに、選択元素として、V:0〜5%、W:0〜10%、Ni:0〜5%、S:0〜2%、Cu:0〜5%、Ca:0〜5%、F:0〜5%のうちから選ばれた1種または2種以上を含むことができる。 The above-mentioned components are basic components. In addition to the basic components, V: 0-5%, W: 0-10%, Ni: 0-5%, S: 0-2%, One or more selected from Cu: 0 to 5%, Ca: 0 to 5%, and F: 0 to 5% can be included.
V:0〜5%
Vは、炭化物として析出し、基地相の硬さを増加させ、耐摩耗性を向上させる元素であり、必要に応じて含有できる。含有する場合には0.5%以上含有することが好ましい。0.5%未満では、析出物量が不足し、所望の耐摩耗性を確保できない。一方、5%を超えて含有すると、成形性が低下する。このため、Vは0〜5%の範囲に限定した。なお、より好ましくは0.5〜2.5%である。
V: 0-5%
V is an element that precipitates as a carbide, increases the hardness of the matrix phase, and improves the wear resistance, and can be contained as necessary. When it contains, it is preferable to contain 0.5% or more. If it is less than 0.5%, the amount of precipitates is insufficient, and the desired wear resistance cannot be ensured. On the other hand, when it contains exceeding 5%, moldability will fall. For this reason, V was limited to the range of 0 to 5%. In addition, More preferably, it is 0.5 to 2.5%.
W:0〜10%
Wは、微細炭化物として析出し、基地相の硬さを増加させ、耐摩耗性を向上させる元素であり、必要に応じて含有できる。含有する場合には0.5%以上とすることが好ましい。0.5%未満では、析出物量が不足し、所望の耐摩耗性を確保できない。一方、10%を超えて含有すると、成形性が低下する。このため、Wは0〜10%の範囲に限定した。なお、含有する場合には、より好ましくは0.5〜7.5%である。
W: 0-10%
W is an element that precipitates as fine carbides, increases the hardness of the matrix phase, and improves the wear resistance, and can be contained as necessary. When it contains, it is preferable to set it as 0.5% or more. If it is less than 0.5%, the amount of precipitates is insufficient, and the desired wear resistance cannot be ensured. On the other hand, when it contains exceeding 10%, a moldability will fall. For this reason, W was limited to the range of 0 to 10%. In addition, when it contains, More preferably, it is 0.5 to 7.5%.
Ni:0〜5%
Niは、基地相の強度、靭性の向上に寄与する元素であり、また硬質粒子の硬さ増加に寄与する元素であり、必要に応じて含有できる。含有する場合には2%以上とすることが好ましい。一方、5%を超える含有は、基地相の成形性を低下させる。このため、Niは0〜5%の範囲に限定することが好ましい。なお、含有する場合には、より好ましくは2〜4%である。
Ni: 0-5%
Ni is an element that contributes to improving the strength and toughness of the matrix phase, and is an element that contributes to an increase in the hardness of the hard particles, and can be contained as necessary. When it contains, it is preferable to set it as 2% or more. On the other hand, if it exceeds 5%, the moldability of the matrix phase is lowered. For this reason, Ni is preferably limited to a range of 0 to 5%. In addition, when it contains, it is 2 to 4% more preferably.
S:0〜2%
Sは、固体潤滑剤粒子の含有に起因して基地部に含まれ、被削性向上に寄与する元素であり、必要に応じて含有できる。Sが2%を超えて含有されると、靭性、延性の低下に繋がる。このため、含有する場合はSは2%以下に限定することが好ましい。
S: 0-2%
S is an element that is contained in the base portion due to the inclusion of the solid lubricant particles and contributes to the improvement of the machinability, and can be contained as necessary. When S exceeds 2%, toughness and ductility are reduced. For this reason, when it contains, it is preferable to limit S to 2% or less.
Cu:0〜5%
Cuは、基地相の強度、靭性の向上に寄与する元素であり、必要に応じて含有できる。Cuが5%を超えて含有されると、凝着性の低下に繋がる。このため、含有する場合には、5%以下に限定することが好ましい。
Cu: 0 to 5%
Cu is an element that contributes to improving the strength and toughness of the matrix phase, and can be contained as necessary. If Cu is contained in excess of 5%, it leads to a decrease in adhesion. For this reason, when it contains, it is preferable to limit to 5% or less.
Ca:0〜5%
Caは、固体潤滑剤粒子の含有に起因して基地部に含まれ、被削性向上に寄与する元素であり、必要に応じて含有できる。Caが5%を超えて含有されると、延性の低下に繋がる。このため、含有する場合には、5%以下に限定することが好ましい。
Ca: 0 to 5%
Ca is an element that is contained in the base portion due to the inclusion of solid lubricant particles and contributes to improvement of machinability, and can be contained as necessary. When Ca is contained in excess of 5%, ductility is reduced. For this reason, when it contains, it is preferable to limit to 5% or less.
F:0〜5%
Fは、固体潤滑剤粒子の含有に起因して基地部に含まれ、被削性向上に寄与する元素であり、必要に応じて含有できる。Fが5%を超えて含有されると、延性の低下に繋がる。このため、含有する場合には、5%以下に限定することが好ましい。
F: 0-5%
F is an element that is contained in the base portion due to the inclusion of the solid lubricant particles and contributes to the improvement of the machinability, and can be contained as necessary. When F exceeds 5%, ductility is reduced. For this reason, when it contains, it is preferable to limit to 5% or less.
上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。なお、不可避的不純物としては、P:0.1%以下が許容できる。 The balance other than the above components is Fe and inevitable impurities. As an inevitable impurity, P: 0.1% or less is acceptable.
つぎに、本発明バルブシートの好ましい製造方法について説明する。
まず、基地相を形成する鉄基粉末と、合金元素粉末と、硬質粒子粉末と、固体潤滑剤粒子粉末とを、上記した所定のバルブシート組成となるように、配合し、混合、混錬し、混合粉とする。なお、混合粉に配合する鉄基粉末は、上記した基地相組成に近い組成を有する合金鋼粉末とすることが、均一性の観点から好ましい。
Below, the preferable manufacturing method of this invention valve seat is demonstrated.
First, the iron-base powder forming the matrix phase, the alloy element powder, the hard particle powder, and the solid lubricant particle powder are blended, mixed, and kneaded so as to have the predetermined valve seat composition described above. Use mixed powder. In addition, it is preferable that the iron-base powder mix | blended with mixed powder shall be alloy steel powder which has a composition close | similar to the above-mentioned base phase composition from a uniform viewpoint.
合金鋼粉末としては、JIS G 4403に規定される高速度工具鋼組成の粉末とすることが好ましい。高速度工具鋼としては、Mo系とすることが好ましい。なお、合金鋼粉末としては、上記した高速度工具鋼組成以外にも、本発明バルブシートの基地相として、上記した550HV以上の硬さを有し、微細炭化物析出相となることができる組成の合金鋼を用いてもなんら問題はない。なお、混合粉には、上記した合金鋼粉末に加えて、上記した基地相組成となるように、黒鉛粉末、さらには合金元素粉末を配合することは云うまでもない。なお、混合粉には、ステアリン酸亜鉛等の潤滑剤を配合してもよい。 The alloy steel powder is preferably a high-speed tool steel composition powder defined in JIS G 4403. The high-speed tool steel is preferably made of Mo. In addition to the high-speed tool steel composition described above, the alloy steel powder has a composition that has a hardness of 550 HV or higher and can become a fine carbide precipitation phase as the base phase of the valve seat of the present invention. There is no problem using alloy steel. Needless to say, in the mixed powder, in addition to the alloy steel powder described above, graphite powder and further alloy element powder are blended so as to have the matrix phase composition described above. In addition, you may mix | blend lubricants, such as a zinc stearate, with mixed powder.
ついで、得られた混合粉を、金型に充填し、プレス加工機でプレス加工を施して、所定寸法形状のバルブシート形状の圧粉体とする。圧粉体には、ついで、焼結処理を施し、焼結体とする。 Next, the obtained mixed powder is filled into a mold and pressed by a press machine to obtain a green compact of a valve seat shape having a predetermined size and shape. The green compact is then subjected to a sintering treatment to obtain a sintered body.
本発明においては、焼結処理は、保護雰囲気中で、1100〜1200℃の温度範囲で、保持時間:6hr以上、施す処理とすることが好ましい。加熱温度が1100℃未満では、焼結拡散が不足し、1200℃を超えると、硬質粒子、基地の過拡散が生じ、耐摩耗性が低下する。なお、プレス加工−焼結工程を複数回繰り返す工程を施してもよいことは言うまでもない。
得られた焼結体を研削・切削等の加工により、所望の寸法形状のバルブシート(製品)とする。
In the present invention, the sintering treatment is preferably performed in a protective atmosphere at a temperature range of 1100 to 1200 ° C. for a holding time of 6 hours or more. When the heating temperature is less than 1100 ° C., the sintering diffusion is insufficient, and when it exceeds 1200 ° C., hard particles and matrix are excessively diffused, and the wear resistance is lowered. Needless to say, the press-sintering step may be repeated a plurality of times.
The obtained sintered body is processed into a valve seat (product) having a desired dimension and shape by processing such as grinding and cutting.
本発明バルブシートは、バルブシートとの当たり面(バルブフェース面)の表面硬さが400HV以上、好ましくは600〜1300HVであるバルブと組み合わせて、使用することが好ましい。上記した表面硬さを有するバルブとしては、耐熱鋼を基材として表面に窒化膜が被成されたバルブ(窒化被膜付きオーステナイト系耐熱鋼製バルブ)や、非鉄合金を基材として表面に窒化膜が形成されたバルブ(窒化被膜付き特殊合金製バルブ)や、特殊合金鋼を基材として表面に窒化膜が形成されたバルブ(窒化被膜付き特殊合金鋼製バルブ)、トリバロイ系合金を盛金した盛金バルブ(トリバロイ系合金盛金バルブ)、ステライト系合金や、鉄系合金を盛金した盛金バルブ(ステライト系合金盛金バルブ、鉄系合金盛金バルブ)等が例示できる。本発明バルブシートは、バルブシートとの当たり面(バルブフェース面)の表面硬さが、400HV未満であるバルブと組み合わせて使用すると、表面硬さが400HV以上、好ましくは 600HV以上であるバルブと組み合わせて使用した場合に比べて、バルブ及びバルブシートの摩耗量が増加し、所望の耐摩耗性の向上が期待できない。本発明バルブシートは、バルブシートとの当たり面(バルブフェース面)の表面硬さが400HV以上、好ましくは600HV以上である、硬いバルブと組み合わせてはじめて、所望の耐摩耗性の向上が期待できる。 The valve seat of the present invention is preferably used in combination with a valve having a surface hardness of the contact surface (valve face surface) with the valve seat of 400 HV or more, preferably 600 to 1300 HV. Valves having the above-mentioned surface hardness include valves having a nitride film formed on the surface using a heat-resistant steel as a base material (austenitic heat-resistant steel valves with a nitride film), and nitride films on the surface using a non-ferrous alloy as a base material. Valve made of special alloy with nitride coating, valve with nitride film formed on the surface of special alloy steel (special alloy steel valve with nitride coating), and trivalloy alloy Examples include a primed valve (trivalloy-type alloy primed valve), a stellite-type alloy, and a graded-valve primed with an iron-based alloy (stellite-type alloy primed valve, iron-based alloy primed valve). The valve seat of the present invention is used in combination with a valve having a surface hardness of 400 HV or higher, preferably 600 HV or higher when used in combination with a valve having a surface hardness of the valve seat of less than 400 HV. The amount of wear of the valve and valve seat is increased as compared with the case of using the above, and a desired improvement in wear resistance cannot be expected. The valve seat of the present invention can be expected to improve the desired wear resistance only when combined with a hard valve having a surface hardness of the contact surface (valve face surface) with the valve seat of 400 HV or higher, preferably 600 HV or higher.
以下、実施例に基づき、さらに本発明について説明する。 Hereinafter, based on an Example, this invention is demonstrated further.
(実施例1)
基地相形成用の鉄基粉末と、硬質粒子粉末と、合金元素粉末と、固体潤滑剤粉末と、を表1に示す配合量となるように調整し、混合、混錬して、混合粉とした。なお、使用した鉄基粉末は、表2に示す組成の粉末とし、また、使用した硬質粒子粉末、固体潤滑剤粒子粉末は表3に示す粒子粉末とした。一部では、鉄基粉末に純鉄粉を混合した混合粉を用いた。なお、混合粉には潤滑剤として、混合粉100質量部に対しステアリン酸亜鉛を1質量部配合した。
Example 1
An iron-based powder for forming a base phase, a hard particle powder, an alloy element powder, and a solid lubricant powder are adjusted so as to have the blending amounts shown in Table 1, mixed, kneaded, and mixed powder did. The iron-based powder used was a powder having the composition shown in Table 2, and the used hard particle powder and solid lubricant particle powder were particle powders shown in Table 3. In some cases, mixed powder in which pure iron powder was mixed with iron-based powder was used. The mixed powder was mixed with 1 part by mass of zinc stearate as a lubricant with respect to 100 parts by mass of the mixed powder.
得られた混合粉を、ついで、金型に充填し、プレス加工機で所定のバルブシート形状の圧粉体とし、さらに、保護雰囲気中で、1150℃×360minの焼結処理を施し、焼結体とした。
得られた焼結体に、さらに切削、研磨等の加工を施して、所定寸法形状(外径:27mmφ×内径22mmφ×厚さ6mm)の鉄基焼結合金製バルブシートとした。
The resulting mixed powder is then filled into a mold and pressed into a green compact with a specified valve seat shape using a press machine, and further subjected to sintering at 1150 ° C for 360 minutes in a protective atmosphere. The body.
The obtained sintered body was further subjected to processing such as cutting and polishing to obtain a ferrous sintered alloy valve seat having a predetermined dimensional shape (outer diameter: 27 mmφ × inner diameter: 22 mmφ × thickness: 6 mm).
得られたバルブシートについて、組織観察、硬さ試験、摩耗試験、圧環強さ試験を実施した。試験方法はつぎのとおりである。
(1)組織観察
得られたバルブシートについて、軸方向に垂直な断面を研磨し、腐食(腐食液:ナイタール液)して組織を現出し、光学顕微鏡(倍率:200倍)で観察し、基地相組織の種類を特定した。また、走査型電子顕微鏡(倍率:2000倍)を用いて、基地相中に析出した炭化物について、粒径を測定し、炭化物の粒径の最大が10μm以下であることを確認し、基地相が微細炭化物析出相であるとした。炭化物の粒径(長辺長さ)の最大径が10μmを超える場合には、単に炭化物析出相とした。
(2)硬さ試験
得られたバルブシートについて、断面を研磨し、腐食(腐食液:ナイタール液)して組織を現出し、ビッカース硬度計(試験力:0.98N(100gf))を用いて基地相のビッカース硬さHV を測定した。なお、基地相が二相である場合には、各相について別々に測定した。
(3)摩耗試験
得られたバルブシートについて、図1に示すリグ試験機を用いて、下記に示す試験条件で、摩耗試験を実施した。
試験温度:300℃(シートフェース)
試験時間:12hr
カム回転数:3000rpm
バルブ回転数:20rpm
衝撃荷重:700N
バルブ材質:窒化膜付き耐熱鋼(鋼種:SUH35表面硬さ1150HV)
試験後、試験片(バルブシート)の摩耗量を測定した。得られた摩耗量から、バルブシートNo.1を基準(1.00)とし、当該バルブシートの摩耗比を算出した。
(4)圧環強さ試験
得られたバルブシートについて、JIS Z 2507の規定に準拠して、圧環強さ(kgf/mm2)を求めた。
The obtained valve seat was subjected to structure observation, hardness test, wear test, and crushing strength test. The test method is as follows.
(1) Microstructure observation About the obtained valve seat, the cross section perpendicular to the axial direction is polished, corroded (corrosive liquid: nital liquid), the structure is revealed, and observed with an optical microscope (magnification: 200 times). The type of phase organization was identified. In addition, using a scanning electron microscope (magnification: 2000 times), the particle size of the carbide precipitated in the matrix phase was measured, and it was confirmed that the maximum particle size of the carbide was 10 μm or less. It was assumed that it was a fine carbide precipitation phase. When the maximum diameter of the carbide particle size (long side length) exceeded 10 μm, the carbide precipitation phase was simply used.
(2) Hardness test For the obtained valve seat, the cross section is polished, corroded (corrosive solution: nital solution) to reveal the structure, and then used as a base with a Vickers hardness tester (test force: 0.98 N (100 gf)) The Vickers hardness HV of the phase was measured. In addition, when the base phase was two phases, it measured separately about each phase.
(3) Wear test About the obtained valve seat, the wear test was implemented on the test conditions shown below using the rig testing machine shown in FIG.
Test temperature: 300 ° C (sheet face)
Test time: 12hr
Cam rotation speed: 3000rpm
Valve speed: 20rpm
Impact load: 700N
Valve material: Heat-resistant steel with nitride film (Steel type: SUH35 surface hardness 1150HV)
After the test, the amount of wear of the test piece (valve seat) was measured. From the obtained amount of wear, the valve seat No. 1 was used as a reference (1.00), and the wear ratio of the valve seat was calculated.
(4) Crush strength test The crush strength (kgf / mm 2 ) of the obtained valve seat was determined in accordance with JIS Z 2507.
得られた結果を表4に示す。 Table 4 shows the obtained results.
本発明例はいずれも、従来例(バルブシートNo.1A)に比べ摩耗比が低く耐摩耗性に優れ、かつほぼ従来例並の圧環強さを有するバルブシートとなっている。一方、本発明の範囲を外れる比較例は、圧環強さは従来例並みか、あるいはそれ以上であるが、摩耗比が高くなっている。
(実施例2)
実施例1で作製したバルブシートNo.1A、No.3A、No.4A、No.11Aについて、バルブ材質を変えて、摩耗試験を実施した。バルブ材質としては、No.1窒化被膜付きオーステナイト系耐熱鋼(表面硬さ1150HV)、No.2窒化被膜付き特殊合金鋼(表面硬さ950HV)、No.3窒化被膜付きマルテンサイト系耐熱鋼(表面硬さ850HV)、No.4トリバロイ系合金盛金(表面硬さ780HV)、No.5窒化被膜付きステライト系合金盛金(表面硬さ700HV)、No.6ステライト系合金盛金(表面硬さ425HV)、No.7鉄系合金盛金(表面硬さ415HV)、No.8特殊合金鋼(表面硬さ380HV)の8種とした。バルブ材質以外の試験条件は、実施例1と同様とした。
Each of the inventive examples is a valve seat having a lower wear ratio and superior wear resistance than the conventional example (valve seat No. 1A), and having a crushing strength almost equal to that of the conventional example. On the other hand, in the comparative example out of the scope of the present invention, the crushing strength is equal to or higher than that of the conventional example, but the wear ratio is high.
(Example 2)
For the valve seats No. 1A, No. 3A, No. 4A, and No. 11A produced in Example 1, a wear test was performed by changing the valve material. Valve materials include No.1 nitride-coated austenitic heat-resistant steel (surface hardness 1150HV), No.2 nitride-coated special alloy steel (surface hardness 950HV), No.3 nitride-coated martensitic heat-resistant steel ( Surface hardness 850HV), No.4 Trivalloy alloy plating (surface hardness 780HV), No.5 Stellite alloy plating with nitride coating (surface hardness 700HV), No.6 Stellite alloy plating (surface hardness) 425 HV), No. 7 iron-based alloy plating (surface hardness 415 HV), and No. 8 special alloy steel (surface hardness 380 HV). Test conditions other than the valve material were the same as in Example 1.
なお、耐摩耗性の評価は、バルブシートNo.1A(従来例)とバルブNo.2(窒化被膜付き特殊合金鋼製バルブ)とを組合せた場合を基準(1.00)として、各バルブシートと各バルブとを組合せた場合の摩耗量の比(摩耗比)を求めて、行った。 The evaluation of wear resistance is based on the combination of valve seat No.1A (conventional example) and valve No.2 (special alloy steel valve with nitride coating) as standard (1.00). The ratio of wear amount (wear ratio) when combined with a valve was determined and performed.
得られた結果を表5に示す。 The results obtained are shown in Table 5.
一方、本発明範囲を外れる比較例はいずれも, 組み合わせるバルブによらず、従来例(バルブシートNo.1A)に比べて、摩耗比が高くなって、耐摩耗性が低下している。とくに、表面硬さ(バルブフェース面硬さ)が600HV以上である「硬い」バルブ(バルブNo.1〜No.5)と組み合わせた場合に、耐摩耗性の低下が著しくなる。 On the other hand, any of the comparative examples outside the scope of the present invention has a higher wear ratio and lower wear resistance than the conventional example (valve seat No. 1A), regardless of the combined valve. In particular, when combined with a “hard” valve (valve No. 1 to No. 5) having a surface hardness (valve face hardness) of 600 HV or more, the wear resistance is significantly reduced.
このように、本発明バルブシートは、表面硬さが400HV以上、とくに600HV以上であるバルブと組み合わせた場合に、顕著な耐摩耗性向上という効果を奏することがわかる。 Thus, it can be seen that the valve seat of the present invention has the effect of significantly improving wear resistance when combined with a valve having a surface hardness of 400 HV or higher, particularly 600 HV or higher.
1 バルブシート
2 シリンダブロック相当材
3 加熱手段
4 バルブ
1 Valve seat 2 Cylinder block
Claims (5)
前記基地相が、粒径:10μm以下の微細炭化物が析出し、ビッカース硬さで550HV以上の硬さを有する微細炭化物析出相であり、
前記硬質粒子が、ビッカース硬さで650〜1200HVの硬さを有し、
前記基地相中に、前記硬質粒子を面積率で20〜40%分散させ、さらに該硬質粒子の周りに拡散相を面積率で0%超え5%以下形成し、前記固体潤滑剤粒子を面積率で0〜5%分散させた組織を有すること
を特徴とする耐摩耗性に優れた内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。 An iron-based sintered alloy valve seat in which hard particles and solid lubricant particles are dispersed in a matrix phase,
The matrix phase is a fine carbide precipitation phase in which fine carbides having a particle size of 10 μm or less are precipitated and having a Vickers hardness of 550 HV or more,
The hard particles have a Vickers hardness of 650 to 1200 HV,
In the matrix phase, the hard particles are dispersed in an area ratio of 20 to 40%, and a diffusion phase is formed around the hard particles in an area ratio of 0% to 5%, and the solid lubricant particles are formed in an area ratio. A valve seat made of an iron-based sintered alloy for an internal combustion engine having excellent wear resistance, characterized by having a structure dispersed in an amount of 0 to 5%.
C:0.5〜2.0%、 Si:0.5〜2.0%、
Mn:5%以下、 Cr:2〜15%、
Mo:5〜20%、 Co:2〜30%
を含み、さらに、V:0〜5%、W:0〜10%、Ni:0〜5%、S:0〜2%、Cu:0〜5%、Ca:0〜5%、F:0〜5%のうちから選ばれた1種または2種以上を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。 The matrix including the matrix phase, the diffusion phase, the hard particles, and the solid lubricant particles is in mass%,
C: 0.5-2.0%, Si: 0.5-2.0%,
Mn: 5% or less, Cr: 2-15%,
Mo: 5-20%, Co: 2-30%
In addition, V: 0 to 5%, W: 0 to 10%, Ni: 0 to 5%, S: 0 to 2%, Cu: 0 to 5%, Ca: 0 to 5%, F: 0 2. The iron-based sintered alloy valve for internal combustion engines according to claim 1, wherein the valve is composed of one or more selected from ˜5%, and has a composition composed of the balance Fe and inevitable impurities. Sheet.
前記バルブが、前記バルブシートとの当たり面の表面硬さがビッカース硬さで400〜1300HVであるバルブであり、
前記バルブシートを、請求項1ないし4のいずれかに記載の内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシートとすることを特徴とする耐摩耗性に優れたバルブとバルブシートの組合せ体。 A combination of a valve and a valve seat,
The valve is a valve whose surface hardness of the contact surface with the valve seat is Vickers hardness of 400 to 1300 HV,
A combination of a valve and a valve seat excellent in wear resistance, wherein the valve seat is the valve seat made of an iron-based sintered alloy for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4.
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